火星深部结构示意图。灰白色区域为研究中发现的固态内核。陈磊/制图

中国科学技术大学教授孙道远、毛竹团队联合国外学者，通过深入分析美国国家航空航天局“洞察号”探测器记录的火震数据，首次确证火星内部存在一个半径约600千米的固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富含轻元素结晶的铁镍合金。9月3日，相关研究成果发表于《自然》。

火星作为太阳系内与地球环境最为相似的类地行星，一直是行星内部结构与演化研究的重要对象，也是深空探测的核心目标之一。对行星深部结构的探测一直充满挑战。以人类最熟悉的地球为例，科学家直到1936年才通过地震波首次推测内核的存在，而确认固态内核存在耗时近半个世纪。相比之下，对火星内部结构的探索难度更大，2018年才首次获得火震直接观测数据。截至目前，火震数据尽管已记录了上千次，但信号微弱和噪声干扰等问题仍严重限制了对火星深部结构的研究。

为应对这一挑战，研究团队创新性引入火震阵列分析方法，通过对23个信噪比较高的火震事件数据的分析，成功提取出穿过火星核的关键震相，如在地表反射的PKPPKP和在核幔边界反射的PKKP（P、K分别对应火幔和火星外核中传播的纵波）。值得注意的是，实际观测到PKKP时，较当前仅考虑液态核的火星速度模型所预测的结果提前了50至200秒。地震波在固体中的传播速度比在液体中快，因此这一差异表明，火星核具有分层结构，即外层为液态核，而更深部则存在一个波速更高的固态内核。

在进一步分析中，研究团队首次在火震数据中识别出被视为“固态内核标志”的 PKiKP 震相信号（i代表在内外核边界反射）。这一发现为火星存在固态内核提供了证据。结合不同火核震相，团队测得火星固态内核半径约600千米，为火星半径的1/5。如将火星按比例放大至地球大小，其内外核结构比例与地球高度接近。

同时，火震数据显示，火星外核与内核之间存在约30%的波速跳变和约7%的密度差异。在此基础上，研究团队进一步对内核的矿物组成进行了分析。结果显示，火星核并非纯铁镍构成，还可能包含12%~16%的硫、6.7%~9.0%的氧及不超过3.8%的碳。这种含有轻元素的星核结构，不仅为火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程提供了重要线索，也为对比地球与其他类地行星的内部演化差异奠定了关键基础。

该研究首次在地球以外的行星中确认了固态内核的存在，证实了火星有与地球相似的核幔分异结构。研究团队创新发展的火星地震学方法，为未来利用地震学方法探测月球等星体深部结构提供了重要参考。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09361-9

（原载于《中国科学报》 2025-09-05 第1版 要闻）